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BIOINF1110 Einführung in die Bioinforma7k 3. Designerdrogen Wirkstoffe aus dem Rechner Oliver Kohlbacher Zentrum für Bioinforma7k Tübingen
BIOINF1110 Einführung in die Bioinforma7k
3. Designerdrogen
Wirkstoffe aus dem Rechner
Oliver Kohlbacher Zentrum für Bioinforma7k Tübingen
Arzneien – 2000 v. Chr.
Papyrus Ebers • Das wich)gste vorchristliche med. Werk • 16. Jh. v. Chr., teilweise Zusammenstellung aus anderen Werken (bis ca. 2600 v. Chr.)
http://www.hieroglyphen.net/andere/Ebers/ebers.htm
Ein anderes Heilmittel zum Vertreiben der Krankheit in jedem Körperglied des Mannes: gemaischter Pflanzenschleim; fein zerreiben, indem es gemischt wird mit fermentiertem Pflanzenschleim; damit verbinden. (pEbers 301)
Ein anderes (Heilmittel) zum Beseitigen der Bitternis (=dämonische Krankheit): Koloquinthe; zerreiben auf Honig; trinken auf/mit Bier. (pEbers 302)
Ein anderes (Heilmittel) zum Abwehren der Entzündungen: Frosch; zerkochen in Öl; damit salben.
(pEbers 303)
Ein anderes (Heilmittel): Kopf des Ddb-Fisches; zerkochen in Öl, dem Mann auf sein "Fleisch" geben.
(pEbers 304)
Drug Design Anno 1886
Cahn, Hepp, Centralbl. Klin. Med. (1886), 7, 33
Wirkstoffentwurf
Arzneistoffe
Stoffe die im Körper eine heilende oder lindernde Wirkung enHalten.
COOH
O
O
CH3O
N CH3MeOOC
MeOOC
H H
Wirkstoffentwurf Entwurf
Gezielter schöpferischer Akt.
Wirkstoffentwurf
Gezielte Schaffung von Wirkstoffen.
Schlüsselfrage: Welcher Stoff soll in die Pille?
COOH
O
O
CH3
?
Wirkstoffentwurf/Drug Design
Struktur- biologie
Bioinformatik Chemo-
informatik
Theoretische Chemie
Medizinische Chemie
Pharmakologie Pharmazie
Medizin
Wirtschafts- wissenschaften
DRUG DESIGN
Drug Design – Gestern und Heute
Prüfung Biol. Daten
Drug-‐Discovery-‐Pipeline
Wirkstoffentwurf beschleunigt durch
Bio- und Chemoinformatik
Target ID Lead ID Optimierung Zulassung
Neue Wirkstoffe – Welt
Neue Wirkstoffe: NME (new molecular en--es)
Neue Wirkstoffe – Deutschland
Fail early, fail cheap • Höhere F&E-‐Ausgaben scheinen
weniger NMEs zu generieren • Gesamtkosten ste)g steigend: ca.
US $800 Mio./NME • Kosten steigen ste)g im Verlauf
der Pipeline • Je später ein Wirkstoff aussor)ert
wird, desto mehr Geld ist verschwendet
• Große Mehrheit schlägt fehl ) Maxime: „Fail early, fail cheap“
The Economist: http://www.economist.com/science/tq/displayStory.cfm?story_id=2477075
Science (2001), 291 (5507) Nature (2001), 409 (6822)
Seite 1 taaccctaac cctaacccta accctaaccc taaccctaac cctaacccta accctaaccc taaccctaac cctaacccta accctaaccc taaccctaac cctaacccaa ccctaaccct aaccctaacc ctaaccctaa ccctaacccc taaccctaac cctaacccta accctaacct aaccctaacc ctaaccctaa ccctaaccct aaccctaacc ctaaccctaa cccctaaccc taaccctaaa ccctaaaccc taaccctaac cctaacccta accctaaccc caaccccaac cccaacccca accccaaccc caaccctaac ccctaaccct aaccctaacc ctaccctaac cctaacccta accctaaccc taaccctaac ccctaacccc taaccctaac cctaacccta accctaaccc taaccctaac ccctaaccct aaccctaacc ctaaccctcg cggtaccctc agccggcccg cccgcccggg tctgacctga ggagaactgt gctccgcctt cagagtacca ccgaaatctg tgcagaggac aacgcagctc cgccctcgcg gtgctctccg ggtctgtgct gaggagaacg caactccgcc ggcgcaggcg cagagaggcg cgccgcgccg gcgcaggcgc agacacatgc tagcgcgtcg gggtggaggc gtggcgcagg cgcagagagg cgcgccgcgc cggcgcaggc gcagagacac atgctaccgc gtccaggggt ggaggcgtgg cgcaggcgca gagaggcgca ccgcgccggc gcaggcgcag agacacatgc tagcgcgtcc aggggtggag gcgtggcgca ggcgcagaga cgcaagccta cgggcggggg ttgggggggc gtgtgttgca ggagcaaagt cgcacggcgc cgggctgggg cggggggagg gtggcgccgt gcacgcgcag aaactcacgt cacggtggcg cggcgcagag acgggtagaa cctcagtaat ccgaaaagcc gggatcgacc gccccttgct tgcagccggg cactacagga cccgcttgct cacggtgctg tgccagggcg ccccctgctg gcgactaggg caactgcagg gctctcttgc ttagagtggt ggccagcgcc ccctgctggc gccggggcac tgcagggccc tcttgcttac tgtatagtgg tggcacgccg cctgctggca gctagggaca ttgcagggtc ctcttgctca aggtgtagtg gcagcacgcc cacctgctgg cagctgggga cactgccggg ccctcttgct ccaacagtac tggcggatta tagggaaaca cccggagcat atgctgtttg gtctcagtag actcctaaat
Das Buch des Lebens Das “Buch des Lebens” versprach alle wesentlichen Probleme der Medizin zu lösen
Problem: haben ≠ lesen ≠ verstehen
Derzeit verwendete Targets
Hopkins, Groom: The druggable genome, Nat. Rev. Drug Discov. (2002), 1, 727-30
Netzwerke und Pfade • Datenbanken zu metabolischen
Netzwerken enthalten aktuellen Stand des Wissens zu spezifischen Organismen
• Komplexe Netzwerke, nicht notwendigerweise wohl definierte „Pfade“
• Bes)mmte Stoffwechselwege in bes)mmten Pfaden nicht vorhanden
• Vergleich liefert Anhaltspunkte für Targets
Beispiel: KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)
http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway.html
Helicobacter Pylori
• 1,6 Mbp großes Genom • Ca. 1600 Proteine • Beteiligt an der Ausbildung von Magengeschwüren
www.tigr.org
H. pylori
• H. pylori ist durch die Schleimschicht im Magen gut geschützt
• Besondere Verhältnisse im Magen (pH) ungüns)g für viele An)bio)ka
• Immunsystem ineffek)v • Breite An)bio)ka-‐Therapie hat Nebenwirkungen, führt zu Resistenzen anderer Pathogene
Ziel Entwicklung eines spezifisch gegen H. pylori wirksamen an)mikrobiellen Wirkstoffs
Besonderheit von H. pylori
• Abbau von Harnstoff: H2N-‐CO-‐NH2 + H2O ! CO2 + 2 NH3
• Ammoniak führt zu Erhöhung des pH!
• Schutzmechanismus vor Magensäure
• Anwendung: Test auf Infektion mit H. pylori über Bestimmung von 14/13CO2 aus markiertem Harnstoff
Vergleich Metabolischer Netze
• Vergleich der metabolischen Netze liefert Pfade die exklusiv im Pathogen benutzt werden
• Es sollten wenige „Umwege“ zu diesem Pfad exis)eren • Therapeu)sch interessant
• Geringe Wahrscheinlichkeit unerwünschter Wirkungen im Mensch
• Wenn der Pfad keine Umwege besitzt, sind die Chancen gut, dass die Ausschaltung des Targets wirksam ist
Harnstoffstoffwechsel H. sapiens
http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway.html
Harnstoffstoffwechsel H. pylori
http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway.html
Von der Sequenz zur Struktur
Primärstruktur
Sekundärstruktur
Tertiärstruktur
Quartärstruktur
Sequenz: ...LGFCYWS...
Wirkmechanismen
• Rezeptortheorie
Wirkung = Wechselwirkung des
Wirkstoffs mit dem Rezeptor
• Paul Ehrlich (1913)
„Corpora non agunt nisi fixata“
„die Körper wirken nicht, wenn sie
nicht gebunden sind“
) Wirkung setzt Bindung voraus
Paul Ehrlich. Chemotherapeutics: scientific principles, methods, and results. Lancet (1913), 182, 445-451
Komplementarität
Paul Ehrlich: Of immunity with special reference to cell life, Proc. Royal Soc. London (1900), 66, 424-448
Geometrische Komplementarität Emil Fischer 1894:
“Um ein Bild zu gebrauchen, will ich sagen, dass Enzym und Glucosid wie Schloss und Schlüssel zu einander passen müssen, um eine chemische Wirkung aufeinander ausüben zu können.”
Schlüssel-‐Schloss-‐Prinzip
Emil Fischer, Ber. Dt. Chem. Ges. (1894), 27, 2985-2993
Emil Fischer
Schlüssel-‐Schloss-‐Prinzip
PDB: 1CRB
Virtual High-‐Throughput Screening (vHTS) • Idee: Schlüssel-‐Schloss-‐Prinzip – 3D-‐Puzzle
• Algorithmen verwenden die Struktur eines Rezeptors/Proteins und testen, welche Strukturen daran binden können
• Teste viele(!) Strukturen schnell(!) gegen ein Target
N
NN
O
SH
OO OH
SHO
N
O
OH
NH
O OH
O
N
OOH
CH3
SH
O
NH
CH3
O
N
OOH
SH
CH3
O
N
OOH
NH
O OH
O
N
OOH
CH3
O O
O CH3H
O
CH3
HH CH3
HH
COOH
O
O
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N
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Cl
NH
NN
CH3
O
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CH3
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N
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ONH2
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N
S
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CH3
CH3O
RHNH
NH2NH
OH
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NN
O
SH
OO OH
SHO
N
O
OH
NH
O OH
O
N
OOH
CH3
N
S
COOH
CH3
CH3O
RHNH
Grundalgorithmus Docking
• Strukturerzeugung • Erzeuge große Anzahl plausibler Komplexstrukturen • Bedingung: A in Kontakt mit B • Erzeugung in manchen Algorithmen nur implizit • Manche dieser Strukturen sind geometrisch oder energe)sch ungüns)g
Grundalgorithmus Docking
• Strukturerzeugung • Filterung
• EnHerne Komplexstrukturen die geometrisch oder energe)sch ungüns)g sind
• In der Regel sehr einfache Bewertungskriterien
Grundalgorithmus Docking
• Strukturerzeugung • Filterung
• EnHerne Komplexstrukturen die geometrisch oder energe)sch ungüns)g sind
• In der Regel sehr einfache Bewertungskriterien
Grundalgorithmus Docking
• Strukturerzeugung • Filterung • Bewertung
• Berechne Abschätzung von ΔG • Viele Bewertungsfunk)onen sehr einfacher Natur • Ergebnis: nach ΔG geordnete Liste der Strukturen • Gutes Ergebnis: Kopf der Liste ist korrekte Struktur
Grundalgorithmus Docking
< <
• Strukturerzeugung • Filterung • Bewertung
• Berechne Abschätzung von ΔG • Viele Bewertungsfunk)onen sehr einfacher Natur • Ergebnis: nach ΔG geordnete Liste der Strukturen • Gutes Ergebnis: Kopf der Liste ist korrekte Struktur
Grundalgorithmus Virtual Screening
• Für jeden Ligand: • DOCKE Ligand an Rezeptor • Speichere beste Konforma)on/Energie aus dem Docking
• Gib nach Energie sor)erte Liste der Liganden aus
N
NN
O
SH
OO OH
SHO
N
O
OH
NH
O OH
O
N
OOH
CH3
SH
O
NH
CH3
O
N
OOH
SH
CH3
O
N
OOH
NH
O OH
O
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OOH
CH3
O O
O CH3H
O
CH3
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CH3
N
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S
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CH3
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NH2NH
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? Dock- ing
N
NN
O
SH
OO OH
NH
O OH
O
N
OOH
CH3
SHO
N
O
OH
N
S
COOH
CH3
CH3O
H2NH
-12.5
-10.1
-9.4
-7.2 ....
AutoDock -‐ Energiefunk7on
• Energiefunk)on sei hier nur grob skizziert • Entropische Beiträge sind konstant für alle
Ligandenkonforma)onen (über Anzahl drehbarer Bindungen)
• Restliche WW sind paarweise zwischen je zwei Atomen i und j
AutoDock -‐ Energiefunk7on
Gitterpunkt
Gitterabstand
Probeatom
• Auswertung der Energiefunk)on lässt sich stark beschleunigen durch Gipertechniken
• Für jede WW wird Gieer um Bindungsstelle herum vorberechnet • Jeder Giperpunkt enthält Wert
entsprechend der Energie eines Testatoms an dieser Stelle
• Bringt man Liganden auf das Giper ergibt sich Gesamtenergie durch Auslesen der Werte an der entsprechenden Stelle im Gieer (und Interpola)on)
• Nachteil: • viele Giper (eins pro Atomtyp/WW-‐Typ)
) hoher Speicherbedarf ) hoher Zeitbedarf für Vorberechnung
AutoDock – Gene7scher Algorithmus
• Ligandenkonforma)onen werden als „Chromosomen“ kodiert – Vektoren von Fließkommazahlen – den Genen
• Jedes Individuum besitzt • Drei Gene für Transla)on (kart. Koordinaten) • Vier Gene für Rota)on (Quaternion) • Je ein Gen (Zahl) für interne Torsionen
• Genom des Individuum beschreibt vollständige Konforma)on und Posi)on des Liganden rela)v zum Rezeptor
AutoDock – LGA
• Lamarcksche Gene7k: Adap)onen des Phänotyps im Laufe des Lebens werden über Genotyp weitervererbt
• LGA in AutoDock • Liganden werden lokal nachop7miert
• Op)mierte Koordinaten werden in „Chromosomen“ kodiert
• Nachfolgegenera7on besitzt op7mierte Koordinaten
Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829)
• Giraffen strecken sich um an Bäume heranzukommen
• Hals wird länger
• Langer Hals wird an Nachkommen vererbt
AutoDock – LGA
• Würfle Zufallspopula)on von Individuen mit gleichverteilten Genomen
• Für vorgegebene Anzahl Itera)onen: • Werte Energien für alle Individuen aus • Selek)on/Reproduk)on: Individuen mit bester Energie erzeugen Nachkommen
• Crossover-‐ und Muta)onsoperatoren werden auf neue Genera)on angewandt
• Lokale Nachop)mierung der Ligandenkonforma)on wird in Genom kodiert
• Wähle beste Individuen der letzten Genera)on aus
http://www.nmr.chem.uu.nl/haddock/movies/cg.html
Zusammenfassung
• Moderner Wirkstoffentwurf kommt ohne Bioinforma)k nicht mehr aus
• Neue Arzneistoffe zu entwickeln wird immer aufwändiger und teurer
• Analyse von Genom-‐ und Transkriptomdaten iden)fiziert mögliche Targets
• Docking und virtuelles Screening finden kleine Moleküle, die an diese Targets binden können
• Docking basiert dabei auf dem Schlüssel-‐Schloss-‐Prinzip • Der erforderliche Rechenaufwand ist erheblich, da sehr große Substanzbibliotheken untersucht werden müssen
